引力湍流气态盘中的螺旋结构

在缓慢辐射冷却条件下，引力不稳定性可在大质量气态盘中驱动小尺度湍流与大尺度螺旋臂。这些运动影响所观测到的盘形态、其质量吸积率与变率，并可能通过尘埃颗粒的浓聚、加工与碰撞碎裂控制行星形成过程。我们研究受给定冷却定律作用的薄气态盘中的引力湍流及其相关螺旋结构。我们刻画了螺旋的形态、相干性与传播，并考察了流动何时偏离黏性盘模型。我们使用有限体积代码 Pluto 在三维球几何中积分自引力流体动力学方程。气体在长于轨道时标上被冷却，以触发引力不稳定性并维持湍流。我们针对不同的盘质量与冷却率运行了模型。在所有考虑的情形中，湍流引力应力以与黏性盘理论相容的速率向外输运角动量。轨道能量的耗散通过螺旋密度尾流中的激波发生，将盘加热回边际稳定热平衡。这些尾流驱动垂直运动，并有助于将盘物质与其日冕物质混合。它们间歇性地形成与消亡，且在每一半径处几乎与气体共转。因此，大尺度螺旋臂不展现长期的全局相干性，能量热化本质上是一个局域过程。在缺乏径向子结构或潮汐强迫、且给定局域冷却定律的情况下，引力湍流在薄气态盘中退化为一种局域现象。